計(jì)算機(jī)組成原理控制器微程序

計(jì)算機(jī)組成原理控制器微程序第一頁，共五十頁，2022年，8月28日微命令：構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位。微操作：由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本操作。微指令：若干個(gè)微命令的組合。微周期：指從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時(shí)間。微程序：一系列微指令的有序集合?？刂拼鎯?chǔ)器：存放微程序的只讀存儲(chǔ)器。微程序控制器的基本概念第二頁，共五十頁，2022年，8月28日微程序控制的基本思想微程序事先存放在控制存儲(chǔ)器(CM)中，執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)再取出。1.若干微命令編制成一條微指令，控制實(shí)現(xiàn)一步操作；2.若干條微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令；CPU的構(gòu)成引入了程序技術(shù)，使設(shè)計(jì)規(guī)整；引入了存儲(chǔ)邏輯，使功能易于擴(kuò)展。結(jié)論：執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日微程序控制器原理微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR第四頁，共五十頁，2022年，8月28日微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR1.主要部件（1）控制存儲(chǔ)器CM功能：存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲(chǔ)器。微程序控制器原理第五頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）微指令寄存器μIR功能：存放現(xiàn)行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。(微操作控制字段)(順序控制字段)微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微程序控制器原理第六頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）微地址形成電路功能：提供兩類微地址。微程序入口地址：由機(jī)器指令操作碼形成。后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運(yùn)行狀態(tài)等形成。微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微程序控制器原理第七頁，共五十頁，2022年，8月28日2.工作過程

微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令（1）取機(jī)器指令CM取指微指令μIR控制存儲(chǔ)器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列

IR微命令字段譯碼器控制存儲(chǔ)器微命令主存機(jī)器指令微命令字段微地址字段IR

譯碼器微命令序列微程序控制器原理第八頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）轉(zhuǎn)微程序入口IR操作碼微地址形成電路入口μAR微命令字段CM首條微指令微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR取指微指令控制存儲(chǔ)器取指微指令微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列

IR控制存儲(chǔ)器微命令字段微地址字段譯碼器微命令序列微地址形成電路

IR微地址寄存器

微地址形成電路控制存儲(chǔ)器微地址寄存器微命令字段微地址字段（3）執(zhí)行首條微指令控制存儲(chǔ)器譯碼器μIRμIR譯碼器微命令字段微地址字段微命令序列微命令操作部件微程序控制器原理第九頁，共五十頁，2022年，8月28日微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM

譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR（4）取后續(xù)微指令微地址字段現(xiàn)行微地址運(yùn)行狀態(tài)微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址寄存器后續(xù)微地址μAR

微地址形成電路控制存儲(chǔ)器CM后續(xù)微指令μIR微地址寄存器微命令字段微地址字段微程序控制器原理第十頁，共五十頁，2022年，8月28日（5）執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）微地址形成電路

IR

PSW

PC微地址寄存器

μAR控制存儲(chǔ)器CM譯碼器微命令序列微命令字段微地址字段μIR微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址形成電路微命令字段微地址字段

PSW微地址寄存器微地址寄存器微地址形成電路微地址寄存器微命令字段微地址字段（6）返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。微程序控制器原理第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日微操作信號(hào)PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+1共15個(gè)微操作信號(hào)14012345678910111213第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP譯碼IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACiMOVSTAADDJPZJMPIRo,MARi;ACo,MBRi,W;IRo,MARi,R;MBRo,Yi;ACo,S0S1(加法),ACiIFZ=1thenIRo,PCi;

IRo,PCi;T0T1T2T3T4第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;OP譯碼IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACiMOVSTAADDJPZJMPIRo,MARi;ACo,MBRi,W;IRo,MARi,R;MBRo,Yi;ACo,S0S1(加法),ACiIFZ=1thenIRo,PCi;

IRoPCi;T0T1T0T1T0FTATET第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213(PC)MAR,M(R);(MBR)IR,(PC)+1PC;PCo,MARi,R;MBRo,IRi,+1;取指公共操作第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213MOVAD;(AD)AC(IR(AD))MAR,M(R);(MBR)ALU,ALUAC;IRo,MARi,R;MBRo,S0S1(直送),ACi第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日微指令的基本結(jié)構(gòu)舉例此格式中，后續(xù)微指令地址由順序控制字段的6位信息決定。其中（20-23）4位用來直接給出下一條微指令的地址，（18，19）兩位作為判別測試標(biāo)志。=0，表示不進(jìn)行測試，直接按第20-23位給出的地址取下一條微指令；第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日微指令的基本結(jié)構(gòu)舉例當(dāng)?shù)?8或19位為1，表示要進(jìn)行P1或P2的判別測試，根據(jù)測試結(jié)果，需要對第20-23位的某一位或幾位進(jìn)行修改，然后按修改后的地址取下一條微指令。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日微程序控制器的組成框圖第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日?指令的OP與微程序入口的可能映射方式及比較

OP就是指令微程序的入口地址(或高幾位)010001000111001OP01000..10001..11001第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日CPU周期與微指令周期的關(guān)系微指令周期：讀出微指令到執(zhí)行完該條微指令的時(shí)間在串行方式的微程序控制器中:微指令周期=讀出微指令的時(shí)間+執(zhí)行該條微指令的時(shí)間為了保持整個(gè)機(jī)器控制信號(hào)的同步，可將一個(gè)微指令周期設(shè)計(jì)成與CPU周期時(shí)間相等。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日CPU周期與微指令周期的關(guān)系第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日機(jī)器指令與微指令的關(guān)系一條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序，由微指令解釋執(zhí)行機(jī)器指令與內(nèi)存M有關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器CM有關(guān)每個(gè)CPU周期對應(yīng)一條微指令第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日微指令格式水平型微指令垂直型微指令混合型微指令第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日（1）垂直型微指令優(yōu)點(diǎn)：一條微指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作。微指令短、簡單、規(guī)整，便于編寫微程序。缺點(diǎn)：微程序長，執(zhí)行速度慢；工作效率低。（2）水平型微指令一條微指令定義并執(zhí)行一種基本操作。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：微指令長，編寫微程序較麻煩。微程序短，執(zhí)行速度快。第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）混合型微指令微指令不長，便于編寫；微程序不長，執(zhí)行速度加快。在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行操作。第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日?水平型微指令和垂直型微指令的比較水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)，垂直型微指令則比較差。b.水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)行執(zhí)行一條指令的時(shí)間長。c.由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字較長，微程序短的特點(diǎn)；垂直型微指令則相反，微指令短而微程序長。第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日微命令編碼方法(如何表示微操作)（1）直接控制法微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。（微指令長，占CM容量大）。微指令中通常只有個(gè)別位采用直接控制法。如何確定微指令的結(jié)構(gòu)，是微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日?操作字段的每一位表示一個(gè)微命令?優(yōu)點(diǎn):簡單、直觀，輸出直接用于控制?缺點(diǎn):微指令字長、不利于減少控存容量第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）分段直接編譯法（單重定義編碼）微命令由字段編碼直接給出（顯式編碼）。微命令分組原則：同類操作中互斥的微命令放同一字段。不能同時(shí)出現(xiàn)第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日?把一組互斥的信號(hào)組成一個(gè)小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸出將作為操作控制信號(hào)。每次每個(gè)小組最多只能有一個(gè)有效。譯碼譯碼譯碼譯碼字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令每字段經(jīng)過譯碼后，要有一個(gè)狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段，B輸入端的控制命令放BI字段。加法器

A

BR、CD、ER、CD、FAIBI33000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DAAI：000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DBBI：一條微指令能同時(shí)提供若干微命令，便于組織各種操作。編碼較簡單；第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日微操作是計(jì)算機(jī)中最基本的操作，由于數(shù)據(jù)路、邏輯功能的關(guān)系，微操作可以分為：

?相容性的微操作:能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作

?相斥性的微操作:不能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日圖中相斥性的微操作有：(+、–

、M)(4、6、8)(5、7、9)圖中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)與(5、7、9)兩組中各取一個(gè)任意組合第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日微操作信號(hào)PCiPCoMBRiMBRoMARiIRoIRiYiS0S1ACiACoACALUYPCIR控制器...MAR微操作信號(hào)MBRMPSWBUSRW+114012345678910111213第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）分段間接編譯法（多重定義編碼，隱式編碼）例.微命令由本字段編碼和其他字段解釋共同給出。C=

CAa)設(shè)置解釋位或解釋字段解釋位1（A為某類命令）0（A為常數(shù)/另一類微命令）第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）分段間接編譯法（多重定義編碼，隱式編碼）b)分類編譯按功能類型將微指令分類，分別安排各類微指令格式和字段編碼，并設(shè)置區(qū)分標(biāo)志。例.DJS-220微指令分兩類。微指令CPU方式(觸發(fā)器C=0)I/O方式(觸發(fā)器C=1)全加器運(yùn)算方式控制C=0

QC151617C=1QC’JCC’151617通道專用操作方式控制第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日（4）其他編碼方法a)微指令譯碼與機(jī)器指令譯碼復(fù)合控制例.機(jī)器指令寄存器號(hào)寄存器傳A微指令譯碼器譯碼器001RA

R1A門第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日b)微地址參與解釋004微地址微指令取指標(biāo)志變址標(biāo)志01123例DJS180系列26個(gè)局部性微命令（4）其他編碼方法第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日微地址形成方式微程序入口地址的形成后續(xù)微地址的形成增量方式（計(jì)數(shù)器方式）

后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量來產(chǎn)生

2）斷定方式（直接給定和測試斷定相結(jié)合形成微地址）第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日3)

多路轉(zhuǎn)移方式：

一條微指令具有多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的能力。?

取指微指令執(zhí)行后，下一條微指令由指令操作OP指定?

當(dāng)微程序不出現(xiàn)分支時(shí)，直接由微指令的順序控制字段給出下一條微指令的地址。?

當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，由判別測試字段和狀態(tài)條件來修改順序控制的某些位來實(shí)現(xiàn)多路分支。順序控制字段該信息有n位，微程序就有2n路轉(zhuǎn)移第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日例.機(jī)器指令1

0F(8位)入口地址=000FHCM機(jī)器指令2

10(8位)入口地址=0010H000F0010無條件轉(zhuǎn)微地址1微地址1微程序1無條件轉(zhuǎn)微地址2微地址2微程序2功能轉(zhuǎn)移功能轉(zhuǎn)移0頁